(57)【要約】【課題】  ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体と電極層とを同時焼結によって設けた圧電素子あるいは積層型圧電素子でありながら、緻密で圧電特性の良好な圧電素子あるいは積層型圧電素子を提供する。【解決手段】  積層型圧電素子１は、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体層２と、これと同時焼結により形成され、交互に積層されてなる内部電極層３Ａ，３Ｂとを有している。内部電極層３Ａ，３Ｂは、Ｐｔからなり、圧電焼結体層２は緻密質である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体と、
上記圧電焼結体と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体に接する電極層であって、
Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とし、Ａｇの含有量が１０mol％未満（０を含む）である
電極層と、を備える
圧電素子。
【請求項２】
ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする、緻密質の圧電焼結体と、
上記圧電焼結体と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体に接する電極層であって、
Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする
電極層と、を備える
圧電素子。
【請求項３】
ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体層と、
上記圧電焼結体層と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体層に接する電極層であって、
Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とし、Ａｇの含有量が１０mol％未満（０を含む）である
電極層と、が交互に積層されてなる
積層型圧電素子。
【請求項４】
ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする、緻密質の圧電焼結体層と、
上記圧電焼結体層と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体層に接する電極層であって、
Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする
電極層と、が交互に積層されてなる
積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子及び積層型圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電磁器組成物を利用した圧電素子は、振動検知用途、圧力検知用途、圧電アクチュエータ、圧電デバイスなど、様々な分野に利用されている。なかでも、積層型圧電素子は、精密位置決めや燃料噴射装置などの圧電アクチュエータ、あるいは車載用センサ（例えばノッキングセンサや燃焼圧センサ）などのセンサとして利用されている。
【０００３】
ところで、このような圧電磁器組成物としては、チタン酸ジルコン酸鉛などの鉛を含有する圧電磁器組成物が多く利用されている。
しかし、鉛の環境に対する影響を考慮し、高性能の無鉛の圧電磁器組成物の開発も行われている。その１つとして、ニオブ酸アルカリ金属系酸化物を主成分とする圧電磁器組成物（特許文献１参照）がある。
一方、圧電磁器組成物に用いる電極材料としては、価格、導電性等から、Ａｇ，Ａｇ−ＰｄなどＡｇを多く含有する電極材料が使用される場合が多い。
【０００４】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２００４／１０６２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、発明者らは、同時焼結によって、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体と電極層を設けた圧電素子あるいは積層型圧電素子においては、電極層として、Ａｇを多く含有する電極材料を用いると、空孔が多数残留した多孔質の圧電焼結体（圧電焼結体層）となり、圧電特性や機械的強度が低下することを見出した。これは、電極層中のＡｇにより、圧電焼結体（圧電焼結体層）の焼結性が低下したものと考えられる。
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体と電極層とを同時焼結によって設けた圧電素子あるいは積層型圧電素子でありながら、緻密で圧電特性の良好な圧電素子あるいは積層型圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そしてその解決手段は、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体と、上記圧電焼結体と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体に接する電極層であって、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とし、Ａｇの含有量が１０mol％未満（０を含む）である電極層と、を備える圧電素子である。
【０００７】
前述したように、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体を、Ａｇあるいは７０Ａｇ−３０Ｐｄなど、Ａｇが多量に含まれている電極層と共に同時焼結する場合には、多量のＡｇによって圧電焼結体の焼結が妨げられ、緻密質の圧電焼結体となりにくいことが判っている。
これに対し、本発明の圧電素子では、電極層として、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする一方、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体の焼結性を低下させるＡｇを１０mol％未満含むか、Ａｇを含まない組成とした。
従って、多量のＡｇによる圧電焼結体についての焼結性の低下を抑制することができ、緻密な圧電焼結体と電極層とを有し、良好な圧電特性、機械的特性を有する圧電素子を得ることができる。また、電極層が多量のＡｇを含まないため、耐マイグレーション性に優れるといった利点もある。
【０００８】
なお、ニオブ酸アルカリ金属におけるアルカリ金属としては、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉが挙げられる。また、ニオブ酸アルカリ金属としては、例えば、ＫＮｂＯ3，ＮａＮｂＯ3，（ＫxＮａ1-x）ＮｂＯ3（但し、０＜ｘ＜１），（ＫxＬｉyＮａ1-x-y）ＮｂＯ3（但し、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）で表されるペロブスカイト型酸化物が挙げられる。またこのほか、これらの酸化物のＮｂの一部をＴａやＳｂに置換したものが挙げられる。さらに、ペロブスカイト型酸化物であるニオブ酸アルカリ金属は、Ａサイトに位置する元素が一部欠損した組成となっていても良い。
また、圧電焼結体には、ニオブ酸アルカリ金属のほかに、圧電特性向上のため、あるいは、焼結性の向上のために、ＣａＴｉＯ3，ＮｉＯ，ＣｕＯ，ＢａＴｉＯ3などの補助成分を含めることができる。
【０００９】
上述の圧電素子において、電極層はＡｇを実質的に含まない圧電素子とするのが好ましい。圧電焼結体の焼結性を低下させるＡｇを電極層に用いないことにより、圧電焼結体をより確実に緻密に焼結させうるからである。
なお、「実質的にＡｇを含まない」とは、意図的に添加されるＡｇを含まないことをいい、ごく微量のＡｇが不可避不純物として含まれる場合は許容する趣旨である。
【００１０】
また他の解決手段は、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする、緻密質の圧電焼結体と、上記圧電焼結体と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体に接する電極層であって、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする電極層と、を備える圧電素子である。
【００１１】
本発明の圧電素子では、電極層として、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする一方、圧電焼結体が緻密質とされている。この圧電素子では、Ａｇによる圧電焼結体についての焼結性の低下を抑制することができており、良好な圧電特性、機械的特性を有する圧電素子となる。
【００１２】
さらに他の解決手段は、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体層と、上記圧電焼結体層と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体層に接する電極層であって、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とし、Ａｇの含有量が１０mol％未満（０を含む）である電極層と、が交互に積層されてなる積層型圧電素子である。
【００１３】
本発明の積層型圧電素子では、電極層として、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする一方、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電焼結体層の焼結性を低下させるＡｇを１０mol％未満含むか，Ａｇを含まない組成とした。
従って、多量のＡｇによる圧電焼結体層についての焼結性の低下を抑制することができ、緻密な圧電焼結体層と電極層とが交互に積層され、良好な圧電特性、機械的特性を有する積層型圧電素子を得ることができる。また、電極層が多量のＡｇを含まないため、耐マイグレーション性に優れるといった利点もある。
【００１４】
さらに他の解決手段は、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする、緻密質の圧電焼結体層と、上記圧電焼結体層と同時焼結により形成され、上記圧電焼結体層に接する電極層であって、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする電極層と、が交互に積層されてなる積層型圧電素子である。
【００１５】
本発明の積層型圧電素子では、電極層として、Ｐｔ，Ｐｄの少なくともいずれかを主成分とする一方、圧電焼結体層が緻密質とされている。従って、この積層型圧電素子では、Ａｇによる圧電焼結体層についての焼結性の低下を抑制することができており、良好な圧電特性、機械的特性を有する積層型圧電素子となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態のうち、積層型圧電素子を実施例１で、リング型の圧電素子を実施例２で説明する。
【実施例１】
【００１７】
本実施例１にかかる積層型圧電素子を、図１〜図４を参照して説明する。本実施例１の積層型圧電素子１は、図１に示すように、概略、４つの側面１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを有する直方体形状をなしている。その４つの側面１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄのうち、対向する取出し電極形成面１Ａ，１Ｂには、Ａｇを主体とし直線状に延びた取出し電極４Ａ，４Ｂが形成されている。
【００１８】
この積層型圧電素子１は、図２に示すように、平板状の圧電焼結体層２と内部電極層３Ａ，３Ｂとが、交互に積層された形態を有している。また、内部電極層３Ａと内部電極層３Ｂとは、交互に配置されている。このうち、内部電極層３Ａは、取出し電極形成面１Ｂからは引き下がる一方、取出し電極形成面１Ａに露出する形態にされており、取出し電極形成面１Ａに形成された取出し電極４Ａと導通している。これとは逆に、内部電極層３Ｂは、取出し電極形成面１Ａからは引き下がる一方、取出し電極形成面１Ｂに露出する形態にされており、取出し電極形成面１Ｂに形成された取出し電極４Ｂと導通している。
【００１９】
この積層型圧電素子１のうち、圧電焼結体層２は、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電磁器組成物からなる。具体的には、仕込み組成が、化学式0.95（Ｋ0.50Ｎａ0.45）ＮｂＯ3−0.05ＣａＴｉＯ3で表されるペロブスカイト型酸化物に、ＣｕＯとＮｉＯを添加した組成を有する。なお、上記化学式で表されるペロブスカイト型酸化物は、化学量論的にＮａ量について一部欠損が生じた組成となっている。また、化学式（Ｋ0.50Ｎａ0.45）ＮｂＯ3におけるＯ量は、化学量論的に表記したものであり、実際には、Ｎａ量の化学量論組成からのずれに応じて、ずれた値となっているものと考えられる。
また、内部電極層３Ａ，３Ｂは、いずれも、Ｐｔからなり、Ａｇは実質的に含んでいない。
【００２０】
本実施例１の積層型圧電素子１のうち、図２のＥ部で示す圧電焼結体層２及び内部電極層３Ａ，３Ｂの断面の様子を、図３に示す。この図から判るように、本実施例１の積層型圧電素子１では、圧電焼結体層２に空孔はほとんどを存在せず、圧電焼結体層２は緻密質となっていることが判る。従って、圧電焼結体層２の圧縮強度や引張強度などの機械的強度も高いものとなる。またこのような積層型圧電素子１においては、例えば、ｄ３３などの圧電特性についても、圧電磁器組成物の組成から考えて得られるであろう特性を十分に得て、良好な圧電特性となる。
【００２１】
なお、内部電極層の組成をＰｄからなるものとした場合にも、同様に、圧電焼結体層に空孔はほとんどを存在せず、圧電焼結体層は緻密質となり、機械的強度や圧電特性も良好であることが確認できている。
【００２２】
一方、本実施例１の積層型圧電素子１とは、内部電極層１０３Ａ，１０３Ｂの組成のみを、７０Ａｇ−３０Ｐｄからなるものに代えて、比較例１にかかる積層型圧電素子１０１を作製した。この比較例１にかかる積層型圧電素子１０１について、圧電焼結体層１０２及び内部電極層１０３Ａ，１０３Ｂのうち、図２のＥ部に相当する部分の断面の様子を、図４に示す。この図から判るように、この比較例１の積層型圧電素子１０１では、圧電焼結体層１０２に、多数の空孔ＰＯが存在しており、多孔質となっていることが判る。この圧電焼結体層１０２では、多孔質である故に、圧縮強度や引張強度などの機械的強度も不十分である。またこのような積層型圧電素子１０１においては、例えば、ｄ３３などの圧電特性についても、圧電磁器組成物の組成から考えて得られるであろう特性に比して、極めて低い特性しか得られない。なお、圧電焼結体層１０２を多孔質でなく緻密質とすべく、焼成温度を高くしたものも試作したが、それでも圧電焼結体層１０２を緻密化できないことが確認されている。
【００２３】
なお、内部電極層の組成をＡｇからなるものとした場合にも、同様に、圧電焼結体層に多数の空孔ＰＯが存在する多孔質となることが確認できている。
【００２４】
このように、内部電極層に多量のＡｇが存在していると、圧電焼結体層に多数の空孔ＰＯが生じる原因は明確ではない。しかし、内部電極層中にＡｇが多量に存在していると、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電磁器組成物との同時焼結に際し、多量に存在するＡｇが、圧電磁器組成物の焼結を阻害する作用を生じさせるものと解される。
【００２５】
これに対し、本実施例１の積層型圧電素子１のように、内部電極層３Ａ，３Ｂの組成として、Ｐｔを用いた場合、あるいはＰｄ、さらにはＰｔ，Ｐｄを主成分とする内部電極層を用いた場合には、積層型圧電素子１の圧電焼結体層２を緻密質とすることができ、機械的特性及び圧電特性も良好なものとすることができることが判る。
【００２６】
なお、本実施例１の積層型圧電素子１は、圧電焼結体層２にニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電磁器組成物を用い、Ｐｔからなる内部電極層３Ａ，３Ｂを用いた点を除き、公知の積層型圧電素子の製造方法を採用して製造する。
【００２７】
即ち、前述の化学式で表されるペロブスカイト型酸化物となるように調合した出発原料粉末１００重量部に０．２５重量部ずつＣｕＯ粉末及びＮｉＯ粉末を加えた調合粉末を600〜1000℃で1〜10ｈ仮焼し、ポリビニルブチラール系樹脂、フタル酸ジブチルを混合して粉砕し、公知のドクタブレード法によりグリーンシートを作製した上で、所定形状（例えば150ｍｍ□）に切断する。一方、予めＰｔ粉末とエチルセルロースとブチルカルビドールあるいはテレピネオールとを混合混練した導電性ペーストを作製しておき、上述の所定形状のグリーンシートにスクリーン印刷によって所定パターンの導電性ペースト層を形成する。この導電性ペースト層が焼結後には内部電極層となる。ついで、導電性ペースト層が形成されたグリーンシートを必要枚数重ねて圧着し、積層体を形成する。この積層体から、角柱状の未焼成積層型圧電素子を切り出し、脱脂後1000〜1200℃で焼結する。これにより、圧電焼結体層２と内部電極層３Ａ，３Ｂとが同時焼結される。焼結後、側面１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを平面研削して、各寸法を整え、取出し電極形成面１Ａ，１ＢにＡｇペーストを塗布し、600〜800℃で焼き付けて、取出し電極４Ａ，４Ｂを形成する。取出し電極４Ａ，４Ｂに分極用電極を接触させ、あるいは取出し電極４Ａ，４Ｂからリード線を取り出すなどした上、取出し電極４Ａと４Ｂとの間、従って、内部電極層３Ａと３Ｂとの間に直流電圧を印加して、圧電焼結体層２を分極する。
【実施例２】
【００２８】
ついで、本実施例２にかかるリング型の圧電素子を、図５を参照して説明する。本実施例２のリング型圧電素子１１は、中央に貫通孔１２Ｈを有するリング状の圧電焼結体１２と、この圧電焼結体１２と同時焼結によって形成され、圧電焼結体１２の上下面に接するリング状の電極層１３Ａ，１３Ｂを有している。
【００２９】
このリング型圧電素子１１のうち、圧電焼結体１２も、実施例１と同じく、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電磁器組成物からなる。具体的には、仕込み組成が、化学式0.95（Ｋ0.50Ｎａ0.45）ＮｂＯ3−0.05ＣａＴｉＯ3で表されるペロブスカイト型酸化物にＣｕＯとＮｉＯを添加した組成を有する。なお、上記化学式で表されるペロブスカイト型酸化物も実施例１と同じく、化学量論的にＮａ量について一部欠損が生じた組成となっている。また、化学式（Ｋ0.50Ｎａ0.45）ＮｂＯ3におけるＯ量は、化学量論的に表記したものであり、実際には、Ｎａ量の化学量論組成からのずれに応じて、ずれた値となっているものと考えられる。
また、電極層１３Ａ，１３Ｂは、いずれも、Ｐｔからなり、Ａｇは実質的に含んでいない。
【００３０】
本実施例２の圧電素子１１についても、実施例１の積層型圧電素子１と同様（図３参照）、圧電焼結体１２に空孔はほとんどを存在せず、圧電焼結体１２は緻密質となった。従って、圧電焼結体２の圧縮強度や引張強度などの機械的強度も高いものとなった。またこの圧電素子１１でも、例えば、ｋｒなどの圧電特性についても、圧電磁器組成物の組成から考えて得られるであろう特性を十分に得て、良好な圧電特性となった。
【００３１】
一方、本実施例２の圧電素子１１とは、電極層の組成のみを、７０Ａｇ−３０Ｐｄからなるものに代えた、比較例２にかかる圧電素子１１１を作製した。すると、前述の比較例１と同様に（図４参照）、この圧電素子１１１では、圧電焼結体１１２に、多数の空孔ＰＯが存在しており、多孔質となっていた。この圧電焼結体１１２では、多孔質である故に、圧縮強度や引張強度などの機械的強度も不十分である。また、ｋｒなどの圧電特性についても、圧電磁器組成物の組成から考えて得られるであろう特性に比して、極めて低い特性しか得られなかった。なお、比較例１と同様に、圧電焼結体層１１２を多孔質でなく緻密質とすべく、焼成温度を高くしたものも試作したが、それでも圧電焼結体層１１２を緻密化できないことが確認されている。
【００３２】
比較例２のように、電極層１１３Ａ，１１３Ｂに多量のＡｇが存在していると、圧電焼結体１２に多数の空孔ＰＯが生じる原因も明確ではない。しかし、電極層１１３Ａ等にＡｇが多量に存在していると、ニオブ酸アルカリ金属を主成分とする圧電磁器組成物との同時焼結に際し、多量に存在するＡｇが、圧電磁器組成物の焼結を阻害する作用を生じさせるものと解される。
【００３３】
これに対し、本実施例２の圧電素子１１のように、電極層１３Ａ，１３Ｂの組成として、Ｐｔを用いた場合、あるいはＰｄ、さらにはＰｔ，Ｐｄを主成分とする電極層を用いた場合には、圧電素子１１の圧電焼結体１２を緻密質とすることができ、機械的特性及び圧電特性も良好なものとすることができることが判る。
【００３４】
以上において、本発明を実施例１，２に即して説明したが、本発明は上記実施例等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施例１，２では、ニオブ酸アルカリ金属として、（Ｋ0.50Ｎａ0.45）ＮｂＯ3を用いた例を示したが、ＫとＮａの組成比を変更して、（ＫxＮａ1-x）ＮｂＯ3（但し、０＜ｘ＜１）とする、あるいは、ＫＮｂＯ3，ＮａＮｂＯ3，（ＫxＬｉyＮａ1-x-y）ＮｂＯ3（但し、０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）とするなど、他の組成のニオブ酸アルカリ金属を用いることもできる。
【００３５】
また、実施例１，２では、電極層３Ａ，３Ｂ，１３Ａ，１３Ｂの組成として、ＰｔあるいはＰｄからなるものを用いた例を示した。しかし、圧電焼結体層２（圧電焼結体１２）との密着力をさらに高めるべく、電極層の組成を、ＰｔまたはＰｄのいずれかを主成分としつつ、圧電焼結体層２（圧電焼結体１２）を構成する材料を適量含有したものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例１及び比較例１にかかる積層型圧電素子の外形を示す斜視図である。
【図２】実施例１及び比較例１にかかる積層型圧電素子の内部構造を示す縦断面図である。
【図３】実施例１にかかる積層型圧電素子のうち、図２におけるＥ部における圧電焼結体層及び電極層の断面を拡大して示す説明図である。
【図４】比較例１にかかる積層型圧電素子のうち、圧電焼結体層及び電極層の状態を拡大して示す説明図である。
【図５】実施例２及び比較例２にかかるリング型の圧電素子の外形を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  積層型圧電素子
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  （積層型圧電素子の）側面
１Ａ，１Ｂ  取出し電極形成面
２  圧電焼結体層
３Ａ，３Ｂ  内部電極層（電極層）
４Ａ，４Ｂ  取出し電極
ＰＯ  空孔
１１  リング型圧電素子（圧電素子）
１２  圧電焼結体
１２Ｈ  貫通孔
１３Ａ，１３Ｂ  電極層
【図１】
2006237218.tif 000003
【図２】
2006237218.tif 000004
【図３】
2006237218.tif 000005
【図４】
2006237218.tif 000006
【図５】
2006237218.tif 000007